DE112012001965T5

DE112012001965T5 - Bidirektionales magnonisches Schreiben verwendender Spin-Drehmoment-MRAM

Info

Publication number: DE112012001965T5
Application number: DE112012001965.2T
Authority: DE
Inventors: David W. Abraham; Niladri N. Mojumder
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2011-05-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2014-02-06
Anticipated expiration: 2032-04-04
Also published as: CA2843407A1; US8754491B2; CN103503154B; US20120280338A1; GB201320420D0; CA2843407C; DE112012001965B4; CN103503154A; GB2504437A; WO2012151020A1; GB2504437B

Abstract

Es wird eine Vorrichtung für ein bidirektionales Schreiben bereitgestellt. Ein Stapel beinhaltet eine Referenzschicht auf einer Tunnelbarriere, die Tunnelbarriere auf einer freien Schicht und die freie Schicht auf einem Abstandshalter aus Metall. Die Vorrichtung beinhaltet einen isolierenden Magneten. Ein Peltier-Material ist mit dem isolierenden Magneten und dem Stapel thermisch gekoppelt. Wenn die Grenzfläche zwischen Peltier und isolierendem Magneten abgekühlt wird, ist der isolierende Magnet so konfiguriert, dass er ein Spin-Drehmoment überträgt, um eine Magnetisierung der freien Schicht in eine erste Richtung zu drehen. Wenn die Grenzfläche zwischen Peltier und dem isolierenden Magneten erwärmt wird, ist der isolierende Magnet so konfiguriert, dass er das Spin-Drehmoment überträgt, um die Magnetisierung der freien Schicht in eine zweite Richtung zu drehen.

Description

Hintergrund
Exemplarische Ausführungsformen beziehen sich auf einen Speicher und spezieller auf ein bidirektionales Schreiben in einen Speicher.
Ein magnetoresistiver Speicher mit wahlfreiem Zugriff (MRAM, Magnetic Random Access Memory) ist eine nicht-flüchtige Computerspeichertechnologie (NVRAM(Non-Volatile Computer Memory)-Technologie). Anders als bei herkömmlichen RAM-Chip-Technologien werden in einem MRAM Daten nicht als elektrische Ladung oder als Stromflüsse sondern durch magnetische Speicherelemente gespeichert. Die Elemente werden aus zwei durch eine dünne isolierende Schicht getrennten ferromagnetischen Platten gebildet, von denen jede ein magnetisches Feld halten kann. Eine der zwei Platten ist ein Referenzmagnet, der auf eine bestimmte Polarität gesetzt ist; das Feld der anderen Platte kann so geändert werden, dass es jenem eines externen Feldes entspricht, um zu Speicherndes zu speichern, und wird als der ”freie Magnet” oder die ”freie Schicht” bezeichnet. Diese Konfiguration ist als ein magnetischer Tunnelübergang bekannt und ist die einfachste Struktur für ein MRAM-Bit. Eine Speichereinheit ist aus einem Gitter derartiger ”Zellen” aufgebaut.
Ein Leseverfahren wird mittels Messen des elektrischen Widerstands der Zelle durchgeführt. Eine spezielle Zelle wird (typischerweise) ausgewählt, indem ein zugehöriger Transistor mit Energie versorgt wird, der Strom von einer Versorgungsleitung durch die Zelle zu Masse schaltet. Aufgrund des magnetischen Tunneleffekts ändert sich der elektrische Widerstand der Zelle aufgrund der Orientierung der Magnetisierung in den zwei Platten. Mittels Messen des Widerstands von irgendeiner speziellen Zelle kann die Richtung der Magnetisierung der beschreibbaren Platte bestimmt werden. Der Konsistenz in nachstehenden Erörterungen zuliebe kann man definieren, dass die zwei Platten, wenn sie die gleiche Magnetisierungsrichtung aufweisen, eine logische ”1” repräsentieren, während der Widerstand höher ist, wenn die zwei Platten von entgegengesetzter Magnetisierung sind, folglich eine logische ”0” repräsentieren.
Kurzdarstellung
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform wird eine magnetoresistive Speichereinheit mit wahlfreiem Zugriff (MRAM-Einheit) bereitgestellt. Ein magnetischer Stapel beinhaltet eine Referenzschicht angrenzend an eine Tunnelbarriere, die Tunnelbarriere angrenzend an eine freie Schicht und die freie Schicht angrenzend an einen Abstandshalter aus Metall. Zwischen dem magnetischen Stapel und einem Peltier-Material ist ein isolierender Magnet angeordnet. Das Peltier-Material ist mit dem isolierenden Magneten und dem magnetischen Stapel thermisch gekoppelt. Ein Abkühlen einer Grenzfläche zwischen dem Peltier-Material und dem isolierenden Magneten bewirkt, dass der isolierende Magnet ein Spin-Drehmoment überträgt, um eine Magnetisierung der freien Schicht in eine erste Richtung zu drehen. Ein Erwärmen der Grenzfläche zwischen dem Peltier-Material und dem isolierenden Magneten bewirkt, dass der isolierende Magnet das Spin-Drehmoment überträgt, um die Magnetisierung der freien Schicht in eine zweite Richtung zu drehen.
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform wird eine magnetoresistive Speichereinheit mit wahlfreiem Zugriff (MRAM-Einheit) bereitgestellt. Ein magnetischer Stapel beinhaltet eine Referenzschicht angrenzend an eine Tunnelbarriere, die Tunnelbarriere angrenzend an eine freie Schicht und die freie Schicht angrenzend an einen Abstandshalter aus Metall. Die MRAM-Einheit beinhaltet einen isolierenden Magneten, ein n-leitendes Peltier-Material, das mit dem isolierenden Magneten und dem magnetischen Stapel thermisch gekoppelt ist, sowie ein p-leitendes Peltier-Material, das mit dem isolierenden Magneten und dem magnetischen Stapel thermisch gekoppelt ist. Ein Abkühlen einer Grenzfläche zwischen dem n-leitenden Peltier-Material und dem isolierenden Magneten und ein Abkühlen einer Grenzfläche zwischen dem p-leitenden Peltier-Material und dem isolierenden Magneten bewirkt, dass der isolierende Magnet ein Spin-Drehmoment überträgt, um eine Magnetisierung der freien Schicht in eine erste Richtung zu drehen. Ein Erwärmen der Grenzfläche zwischen dem n-leitenden Peltier-Material und dem isolierenden Magneten und ein Erwärmen der Grenzfläche zwischen dem p-leitenden Peltier-Material und dem isolierenden Magneten bewirkt, dass der isolierende Magnet das Spin-Drehmoment überträgt, um die Magnetisierung der freien Schicht in eine zweite Richtung zu drehen.
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Bilden einer magnetoresistiven Speichereinheit mit wahlfreiem Zugriff (MRAM-Einheit) bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet ein Bilden eines isolierenden Magneten angrenzend an ein Substrat, ein Bilden eines Abstandshalters aus Metall angrenzend an den isolierenden Magneten, wobei der Abstandshalter aus Metall eine dritte Leitung ist, ein Bilden einer freien Schicht angrenzend an den Abstandshalter aus Metall sowie ein Bilden einer Tunnelbarriere angrenzend an die freie Schicht. Außerdem beinhaltet das Verfahren ein Bilden einer Referenzschicht angrenzend an die Tunnelbarriere, ein Bilden einer zweiten Leitung angrenzend an die Referenzschicht, ein Bilden eines Peltier-Materials angrenzend an die zweite Leitung sowie ein Bilden einer ersten Leitung angrenzend an das Peltier-Material.
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Bilden einer magnetoresistiven Speichereinheit mit wahlfreiem Zugriff (MRAM-Einheit) bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet ein Bilden eines n-leitenden Peltier-Materials angrenzend an eine erste Leitung, ein Bilden eines p-leitenden Peltier-Materials angrenzend an eine vierte Leitung sowie ein Bilden einer zweiten Leitung angrenzend sowohl an das n-leitende Peltier-Material als auch an das p-leitende Peltier-Material. Außerdem beinhaltet das Verfahren ein Bilden eines isolierenden Magneten angrenzend an die zweite Leitung, ein Bilden eines Abstandshalters aus Metall angrenzend an den isolierenden Magneten, ein Bilden einer freien Schicht angrenzend an den Abstandshalter aus Metall, ein Bilden einer Tunnelbarriere angrenzend an die freie Schicht, ein Bilden einer Referenzschicht angrenzend an die Tunnelbarriere sowie ein Bilden einer dritten Leitung angrenzend an die Referenzschicht.
Weitere Merkmale werden durch die Techniken der vorliegenden Offenbarung realisiert. Weitere Systeme, Verfahren, Vorrichtungen und/oder Computerprogrammprodukte gemäß weiteren Ausführungsformen werden detailliert hierin beschrieben und werden als ein Teil der beanspruchten Erfindung angesehen. Für ein besseres Verständnis von exemplarischen Ausführungsformen und Merkmalen siehe die Beschreibung und die Zeichnungen.
Kurzbeschreibung der mehreren Ansichten der Zeichnungen
Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, wird in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung genauer ausgeführt und ausdrücklich beansprucht. Das Vorstehende und weitere Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
1 eine Querschnittansicht einer MRAM-Einheit gemäß einer exemplarischen Ausführungsform ist.
2 eine Querschnittansicht einer MRAM-Einheit gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist.
3 eine Querschnittansicht einer MRAM-Einheit gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist.
4A ein Beispiel für eine räumliche Temperaturverteilung für einen bidirektionalen magnonischen Umpolvorgang gemäß einer exemplarischen Ausführungsform darstellt.
4B ein Beispiel für eine räumliche Temperaturverteilung für einen bidirektionalen magnonischen Umpolvorgang gemäß einer exemplarischen Ausführungsform darstellt.
5A eine Graphik als ein Beispiel für eine transiente Antwort für einen Erwärmungsvorgang und einen Abkühlvorgang in einer Einheit gemäß einer exemplarischen Ausführungsform darstellt.
5B eine Graphik als ein Beispiel für eine transiente Antwort für eine Einheit gemäß einer exemplarischen Ausführungsform darstellt.
6 eine Graphik als ein Beispiel für eine transiente Antwort für einen Erwärmungsvorgang und einen Abkühlvorgang in einer Einheit unter einem Stromimpuls von kurzer Dauer gemäß einer exemplarischen Ausführungsform darstellt.
7 eine Graphik einer Umpolverzögerungsverteilung einer Peltier-MRAM-Einheit gemäß einer exemplarischen Ausführungsform darstellt.
8 eine Graphik einer Umpolverzögerungsverteilung einer Peltier-MRAM-Einheit mit gekippter Anisotropie gemäß einer exemplarischen Ausführungsform darstellt.
9 einen Ablaufplan für ein Bilden einer Vorrichtung für ein bidirektionales Schreiben gemäß einer exemplarischen Ausführungsform darstellt.
10 einen Ablaufplan für ein Bilden einer Vorrichtung für ein bidirektionales Schreiben gemäß einer exemplarischen Ausführungsform darstellt.
11 einen Ablaufplan für ein Bilden einer Vorrichtung für ein bidirektionales Schreiben gemäß einer exemplarischen Ausführungsform darstellt.
Detaillierte Beschreibung
Das magnetische Feld, das zum Beschreiben eines kleinen magnetischen Bits erforderlich ist, nimmt mit der Verringerung der Abmessung des Bits zu. Magnetische Speichertechnologien entweder in einem Festplattenlaufwerk (HDD, Hard-Disk Drive) oder in einem magnetischen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (MRAM) drängen gegen physikalische Grenzen für magnetische Felder, die zum Beschreiben eines magnetischen Bits mit immer weiter abnehmender Abmessung zur Verfügung stehen. Ein Spin-Drehmoment stellt eine Alternative zu durch ein magnetisches Feld induzierten Schreibvorgängen bereit. Schreibvorgänge des Standes der Technik auf der Grundlage eines Spin-Drehmoments sind von einem Ladungsstrom abhängig, um den Spin-Strom für einen Schreibvorgang zu erzeugen. Die Verwendung eines Spin-Stroms vermeidet die Beschränkungen von Schreibvorgängen auf der Grundlage eines magnetischen Feldes, was die Skalierungsperspektiven von Speicher-Bits erweitert.
Vor kurzem hat eine theoretische Arbeit des Standes der Technik einen neuartigen physikalischen Mechanismus zum Erzeugen von Spin-Strömen vorgeschlagen, der thermisch erzeugte Magnonen-Ströme verwendet, die an einer geeigneten Grenzfläche in einen Spin-Strom umgewandelt werden. In einer praktischen Einheit erfordert ein bidirektionales Umpolen jedoch einen bidirektionalen Wärmestrom (z. B. zwei separate Wärmequellen). In einer Realisierung, die eine Erwärmungsvorrichtung verwendet, die an der Einheit angebracht ist, die ihrerseits an einer thermischen Senke angebracht ist, ist der Wärmestrom unidirektional. Anordnungen mit Erwärmungsvorrichtungen auf beiden Seiten der Einheit (ebenso mit Wärmesenken, um ausreichende Temperaturgradienten zu erzeugen) rufen Probleme hervor, da dies hohe Mengen an Leistung erfordert.
In exemplarischen Ausführungsformen wird eine magnetische Einheit vorgeschlagen, wie eine MRAM-Einheit, die ein Schreibschema mit einem bidirektionalen Wärmestrom verwendet und die keinen zweiten elektrischen Stromimpuls auf die Einheit erfordert (und keine Wärme auf beiden Seiten der Einheit erfordert). Die Bidirektionalität wird gemäß exemplarischen Ausführungsformen erreicht, indem eine Peltier-Einheit angrenzend an die magnetische Einheit eingebaut wird. Die resultierende Struktur ist eine Einheit mit drei Anschlüssen (oder eine Einheit mit drei Leitungen), die sowohl Lese- als auch Schreibfähigkeiten erreicht. Die Vorteile dieser Einheit beinhalten das Vorliegen von Leistungsanforderungen, die gegenüber Anforderungen von herkömmlichen Spin-Drehmoment-MRAMs signifikant verringert sind, sowie die Trennung der Lese- und Schreibfunktionen, was zu einem weniger eingeschränkten Entwurf für den magnetischen Stapel führt, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Darüber hinaus kann die stochastische Ausdehnung in der Umpolverzögerung, die von zufälligen thermischen Fluktuationen herrührt, aufgrund einer Übersteuerung des magnonischen Drehmoments (z. B. durch Kippen der magnetischen Anisotropie des isolierenden Magneten) signifikant komprimiert werden. Außerdem erweitert diese Einheit die Wahl des Produkts aus Widerstand und Fläche (RA) der Tunnelbarriere in dem magnetischen Übergang, indem die Anforderung einer hohen elektrischen Stromdichte, die während eines Schreibvorgangs durch das tatsächliche Speicherelement (z. B. die freie Schicht) fließt, beseitigt wird, da es nicht erforderlich ist, dass ein elektrischer Strom durch die freie Schicht fließt.
Sich nunmehr 1 zuwendend, ist dort eine Querschnittansicht einer MRAM-Einheit 100 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform gezeigt. 1 zeigt einen einstufigen Peltier-Entwurf.
Der Entwurf für die Einheit 100 beinhaltet ein Peltier-Material 102, das auf einer Leitung L1 ausgebildet ist. Eine Leitung L2 ist oben auf dem Peltier-Material 102 ausgebildet. Auf der Leitung L2 ist ein isolierender Magnet 104 ausgebildet (der z. B. aus Ferrit hergestellt ist). Der isolierende Magnet 104 weist eine gepinnte Magnetisierungsrichtung auf, die in diesem Beispiel als eine nach rechts weisende Richtung gezeigt ist, es versteht sich jedoch, dass die unveränderliche Magnetisierungsrichtung als eine nach links weisende Magnetisierung gewählt werden kann. Auf dem isolierenden Magneten 104 ist ein Abstandshalter 108 aus einem normalen Metall ausgebildet. Zwischen dem Abstandshalter 108 aus einem normalen Metall und dem isolierenden Magneten 104 befindet sich eine Grenzfläche 106 zwischen Abstandshalter aus normalem Metall und isolierendem Magneten (Ferrit). Oben auf dem Abstandshalter 108 aus einem normalen Metall ist eine freie Schicht 110 ausgebildet. Die freie Schicht 110 ist mit Pfeilen gezeigt, die sowohl in eine nach links weisende Richtung als auch in eine nach rechts weisende Richtung zeigen, die anzeigen, dass die Magnetisierung der freien Schicht 110 in Abhängigkeit von dem Betrieb der Einheit 100 zwischen einer nach links weisenden Magnetisierung und einer nach rechts weisenden Magnetisierung umgepolt werden kann. Oben auf der freien Schicht 110 kann eine Tunnelbarriere 112 ausgebildet sein, und oben auf der Tunnelbarriere 112 kann eine Referenzschicht 114 ausgebildet sein. Die Referenzschicht 114 ist ein Magnet, der mit einer gepinnten (d. h. unveränderlichen) Magnetisierung in diesem Beispiel in die nach rechts weisende Richtung gezeigt ist, es versteht sich jedoch, dass die Referenzschicht 114 in einem anderen Fall eine nach links weisende Magnetisierung aufweisen kann. Oben auf der Referenzschicht 114 ist eine Leitung L3 ausgebildet. Die Leitungen L1, L2 und L3 sind aus Metall hergestellt und können als Metalldrähte betrachtet werden.
Eine Spannungsquelle 116 ist mit der Leitung L1 und mit der Leitung L2 der Einheit 100 verbunden. Die Spannungsquelle 116 ist so konfiguriert, dass sie die Richtung des Stroms (durch ihre Polarität) nach Wunsch derart ändert, dass ein elektrischer Strom in einem Fall (z. B. zum Erwärmen der Einheit 100) in die Leitung L1 hinein und durch die Leitung L2 heraus fließen kann und der elektrische Strom in einem anderen Fall (z. B. zum Abkühlen der Einheit 100) in die Leitung L2 hinein und durch die Leitung L1 heraus fließen kann.
Der elektrische Strom von der Spannungsquelle 116 wird zum Beispiel zwischen den Leitungen L1 und L2 angelegt, und in Abhängigkeit von der Richtung des Stroms steigt die Temperatur an der Grenzfläche 118 zwischen L2 und Peltier-Material an oder sie fällt ab. Die Abmessungen und thermischen Eigenschaften der Leitungen L1, L2 und L3 sind derart gewählt, dass Wärme zwischen den Leitungen L2 und L3 strömt. Zu diesem Zweck sollte die Abmessung der Leitung L2 so klein wie möglich (d. h. dünn) gewählt werden, so dass Wärme nicht entlang der Länge des Drahts strömt, der die Leitung L2 ist. Die Länge der Leitung L2 geht in 1 von links nach rechts. Gleichzeitig sollten die Querschnittabmessungen der Leitung L2 groß genug sein, so dass die Joule-Wärme in dem Draht nicht dominierend ist. Zusätzlich sollten die Leitungen L1 und L3 gute thermische Senken mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit und einer ausreichenden Abmessung sein, so dass der Temperaturabfall in der Nähe dieser Drähte (Leitungen L1 und L3) unter Betrieb klein im Vergleich zu dem Temperaturabfall über den aktiven Stapel hinweg ist (der den isolierenden (Ferrit-)Magneten 104, die Grenzfläche 106 zwischen normalem Metall und isolierendem Magneten, den Abstandshalter 108 aus einem normalen Metall, die freie Schicht 110, die Tunnelbarriere 112 und die Referenzschicht 114 beinhaltet).
Das Peltier-Material 102 und das Metall in der Leitung L2 sollten die Eigenschaft einer hohen Temperaturbeständigkeit aufweisen (wie z. B. einen höheren Schmelzpunkt > 1.200°C). Dies unterstützt das Aufwachsen des isolierenden Magneten 104 bei hoher Temperatur (z. B. des magnetischen Isolators, der eine Ferrit-Dünnschicht ist) oben auf dem Peltier-Stapel (der von der Leitung L1, dem Peltier-Material 102 und der Leitung L2 gebildet ist). Als das Peltier-Material 102 können dünne Dünnschichten verwendet werden, die aus einem Material wie zum Beispiel mit Niob (Nb) dotiertem Strontiumtitanat (SrTiO₃) (mit einem Schmelzpunkt von ungefähr ~ 2.100°C) mit ausgezeichneten thermoelektrischen Eigenschaften gebildet sind. Als (Elektrode) Leitung L2 kann Wolfram (mit einem Schmelzpunkt von ~ 3.500°C) verwendet werden. Als Materialien für die Leitung L2 können auch TaN, TiN und Molybdän verwendet werden.
Der isolierende Magnet 104 ist ein nicht-leitendes magnetisches Material, wie ein Ferrit. Der Abstandshalter 108 aus einem normalen Metall ist ein dünnes nicht-magnetisches Metall. Der magnetische Stapel besteht aus der freien Schicht 110, der Tunnelbarriere 112 und der Referenzschicht 114. Die freie Schicht 110 kann eine dünne ferromagnetische Dünnschicht sein (z. B. Co₄₀Fe₄₀B₂₀, Ni₈₀Fe₂₀ und/oder irgendeines von einer Vielzahl von weiteren Materialien) und kann eine Dicke z. B. im Bereich von etwa 0,5 nm bis 5,0 nm (Nanometer) aufweisen. Die Tunnelbarriere 112 kann so gewählt sein, dass sie einen hohen Magnetowiderstand bereitstellt, und kann aus AlO, MgO und/oder ähnlichen Materialien gebildet sein. Die Dicke der freien Schicht 110 kann so gewählt sein, dass sie ein Produkt aus Widerstand und Fläche (RA) in einem geeigneten Bereich bereitstellt, z. B. 1 bis 100 Ohm-Mikrometer². Die Referenzschicht 114 stellt eine Magnetisierung angrenzend an die Tunnelbarriere 112 bereit, welche die Magnetisierungsorientierung (die als eine nach rechts weisende Magnetisierung gezeigt ist) unter den Bedingungen nicht ändert, die bewirken, dass die freie Schicht 110 dreht. Für diesen Zweck können verschiedene Materialien der Referenzschicht 114 verwendet werden und können Elemente beinhalten, wie einen synthetischen Antiferromagneten, einen pinnenden Antiferromagneten und so weiter. Die Orientierung der Magnetisierung des isolierenden (Ferrit-)Magneten 104, der freien Schicht 110 und der Referenzschicht 114 kann in der Ebene (nach links oder nach rechts weisend) und/oder außerhalb der Ebene liegen (z. B. senkrecht, wie nach oben oder nach unten weisend, was in diesem Beispiel nicht gezeigt, für einen Fachmann jedoch gemäß der vorliegenden Offenbarung verständlich ist). Die vorstehenden Beschreibungen von Materialien (unter Bezugnahme auf 1) für die Leitungen L1, L2, L3, das Peltier-Material, den isolierenden Magneten, die freie Schicht, die Tunnelbarriere und die Referenzschicht können auch auf die 2 und 3 zutreffen.
Um die freie Schicht 110 zu beschreiben, wird mittels der Spannungsquelle 116 zwischen den Leitungen L1 und L2 ein elektrischer Strom angelegt, der bewirkt, dass die Temperatur an der Leitung L2 (d. h. an der Grenzfläche 118 zwischen der Leitung L2 und dem Peltier-Material) in Abhängigkeit von der Richtung des elektrischen Stromflusses ansteigt oder abfällt (und die Leitung L1 weist eine entgegengesetzte Temperaturänderung auf). Ein positiver oder negativer Temperaturgradient über die Grenzfläche 106 zwischen isolierendem (Ferrit-)Magnet und normalem Metall erzeugt eine Wärmeströmung in Richtung des isolierenden Magneten 104 (des magnetischen Isolators) beziehungsweise von diesem weg. Diese Wärmeströmung bewirkt, dass ein magnonischer Spin-Strom von dem isolierenden Magneten 104 in den Abstandshalter 108 aus einem normalen Metall injiziert wird, der zu der freien Schicht 110 fließt und wiederum zu dem schnellen Umpolen (der Magnetisierung) der freien Schicht 110 führt. Zum Beispiel reicht ein Temperaturanstieg von 4 bis 10 K (Kelvin) (an der freien Schicht 110) aus, um die typische freie Schicht 110 von einer Magnetisierungsrichtung (z. B. nach links weisend) in eine andere Magnetisierungsrichtung (z. B. nach rechts weisend) umzupolen, und von der Spannungsquelle 116 können 0,5 mA bis 1 mA eines elektrischen Stroms durch das Peltier-Material 102 angelegt werden, um diese Umpolung zu erreichen (z. B. für eine Säule mit 70 nm (Breite) × 150 nm (Höhe) aus dem Peltier-Material 102). Eine Umkehr des von der Spannungsquelle 116 angelegten Peltier-Stroms (d. h. eine Umkehr der Polarität) bewirkt, dass sich die Magnetisierung der freien Schicht 110 entgegengesetzt (z. B. antiparallel) zu der Richtung der Magnetisierung der Schicht des isolierenden (Ferrit-)Magneten 104 ausrichtet, wodurch die Fähigkeit für ein bipolares Schreiben erreicht wird.
Man nehme an, dass ein elektrischer Strom, der von der Spannungsquelle 116 angelegt wird, in die Leitung L2 hinein fließt (d. h. die positive Seite der Spannungsquelle 116 ist mit der Leitung L2 verbunden, und die negative Seite ist mit der Leitung L1 verbunden). Dies bewirkt einen Anstieg der Temperatur an der Grenzfläche 118 zwischen Leitung L2 und Peltier-Material, während die Temperatur an der Grenzfläche zwischen L1 und Peltier-Material abfällt. Demgemäß wird durch den elektrischen Strom, der in die Leitung L2, durch das Peltier-Material 102 hindurch dann durch die Leitung L1 heraus fließt, ein Wärmestrom 120 (d. h. eine Wärmeströmung) erzeugt, der (die) als ein nach oben weisender Pfeil gezeigt ist. Als ein Ergebnis des Wärmestroms 120 werden in dem isolierenden Magneten 104 Magnonen erzeugt, um einen Spin-Strom 124 zu erzeugen, der gemäß der Magnetisierung des isolierenden Magneten 104 einen Drehimpuls (d. h. ein Spin-Drehmoment) aufweist. Da der Wärmestrom 120 nach oben strömt, dringt der Spin-Strom 124 in die freie Schicht 110 ein und bewirkt, dass die Magnetisierung der freien Schicht 110 eine nach rechts weisende Magnetisierung (Orientierung) aufweist, die parallel zu der nach rechts weisenden Magnetisierung des isolierenden Magneten 104 ist.
Man nehme an, dass der elektrische Strom, der von der Spannungsquelle 116 angelegt wird, in die Leitung L1 hinein fließt (d. h. die positive Seite der Spannungsquelle 116 ist mit der Leitung L1 verbunden, und die negative Seite ist mit der Leitung L2 verbunden). Dies bewirkt einen Temperaturabfall/eine Abkühlung an der Grenzfläche 118 zwischen Leitung L2 und Peltier-Material, während die Temperatur an der Grenzfläche zwischen der Leitung L1 und dem Peltier-Material 102 ansteigt. Demgemäß wird durch den elektrischen Strom, der in die Leitung L1 hinein, durch das Peltier-Material 102 hindurch und dann durch die Leitung L2 heraus fließt, ein Wärmestrom 122 erzeugt, der als ein nach unten weisender Pfeil gezeigt ist. Als ein Ergebnis des Wärmestroms 122 werden in dem isolierenden Magneten 104 Magnonen erzeugt, um den Spin-Strom 124 zu erzeugen, der gemäß der Magnetisierung des isolierenden Magneten 104 einen Drehimpuls aufweist. Da der Wärmestrom 122 in diesem Fall nach unten strömt, dringt der Spin-Strom 124 in die freie Schicht 110 ein und bewirkt, dass die Magnetisierung der freien Schicht 110 eine nach links weisende Magnetisierung (Orientierung) aufweist, die antiparallel zu der nach rechts weisenden Magnetisierung des isolierenden Magneten 104 ist.
Ein bipolares elektrisches Potential (über die Spannungsquelle 116) zwischen den Leitungen L1 und L2 sendet einen Strom (etwa I_P) durch das Peltier-Material 102. Ein positives Potential (über die Spannungsquelle 116) an der Leitung L2 relativ zu der Leitung L1 erwärmt die Leitung L2 (d. h. den Metallstreifen), wobei die Leitung L2 in eine Wärmequelle umgewandelt wird, während die Leitung L3 als eine Wärmesenke wirkt. In ähnlicher Weise kühlt ein negatives Potential an der Leitung L2 relativ zu der Leitung L2 die Leitung L2 herunter, wobei die Leitung L2 in eine Wärmesenke verwandelt wird, während die Leitung L3 als eine Wärmequelle wirkt. Ein Ändern der Polarität der angelegten Spannung (die durch die Spannungsquelle 116 angelegt wird) zwischen der Leitung L1 und der Leitung L2 bildet somit eine bidirektionale Wärmeströmung (dQ/dt) aus (die als die Wärmeströme 120 und 122 gezeigt ist), die normalerweise über die Grenzfläche zwischen Metall (L2) und Ferrit hinweg strömt, welche die Grenzfläche zwischen der Leitung L2 und dem isolierenden Magneten 104 ist. Dies erzeugt einen bipolaren magnonischen Strom (d. h. den Spin-Strom 124), der für ein bidirektionales magnetisches Umpolen verwendet wird.
Demgemäß bewirkt die Richtung des Flusses des elektrischen Stroms (von der Spannungsquelle 116) in die Leitung L1 hinein und/oder in die Leitung L2 hinein, dass sich die Grenzfläche zwischen der Leitung L2 und dem Peltier-Material 102 jeweils entweder abkühlt oder erwärmt. Dies ermöglicht ein bidirektionales Beschreiben der freien Schicht 110 (Schreiben einer nach links oder nach rechts weisenden Magnetisierung für in der Ebene oder Schreiben einer nach oben oder nach unten weisenden Magnetisierung für außerhalb der Ebene). Der Drehimpuls des Spin-Stroms 124 schreibt für den nach oben gehenden Wärmestrom 120 eine nach rechts weisende Magnetisierung in die freie Schicht 110, und der Drehimpuls des Spin-Stroms 124 schreibt für den nach unten gehenden Wärmestrom 122 eine nach links weisende Magnetisierung in die freie Schicht 110, was ein bidirektionales Schreiben realisiert, ohne z. B. zwei separate Wärmequellen an entgegensetzten Enden der Einheit 100 bereitstellen zu müssen.
Des Weiteren kann ein Auslesen des Zustands der Einheit 100 durch Messen des Widerstands zwischen den Leitungen L2 und L3 erreicht werden. Die Beseitigung von hohen elektrischen Stromdichten, die senkrecht zu dem magnetischen Stapel fließen (d. h. durch die freie Schicht 110, die Tunnelbarriere 112 und die Referenzschicht 114), entspannt die Wahl des Produkts aus Widerstand und Fläche (RA) für die Tunnelbarriere 112 der Einheit 100 signifikant, die eine Speichereinheit ist. Ein relativ dickeres MgO (höheres RA) für die Tunnelbarriere 112 kann die Anforderung einer niedrigeren Versorgungsspannung während des Lesens der Magnetisierung der freien Schicht 110 beseitigen. Andererseits kann ein kleineres RA-Produkt für die Tunnelbarriere 112 einen schnelleren Zellenlesevorgang durch eine Spannungsabtastung sicherstellen. Es versteht sich, dass die Einheit 100 als eine Zelle in einer magnetischen Speichereinheit betrachtet werden kann. Zahlreiche einzelne Einheiten 100 können in einem Feld als eine Vielzahl von Zellen für die magnetische Speichereinheit verbunden sein, in der eine Magnetisierungsorientierung der freien Schicht 110 einer 1 entspricht (z. B. eine nach rechts weisende Magnetisierung) und die entgegengesetzte Magnetisierungsorientierung (z. B. eine nach links weisende Magnetisierung) einer 0 entspricht (und/oder umgekehrt), wie für einen Fachmann verständlich ist.
Der Prozess, dass der Spin-Strom (wie der Spin-Strom 124) den Drehimpuls (welcher der Magnetisierung entspricht) des isolierenden Magneten (wie des isolierenden Magneten 104) mitführt und überträgt, um die Magnetisierung der freien Schicht (wie der freien Schicht 110) umzudrehen, wird als Spin-Drehmoment-Transfer (STT, Spin Torque Transfer) bezeichnet. Der Drehimpuls des isolierenden Magneten 104 ist sein Spin-Drehmoment. Das Peltier-Material (wie das Peltier-Material 102) wird dazu verwendet, den Peltier-Effekt auszunutzen. Ein Beispiel für den Peltier-Effekt wird für Hintergrundzwecke des Lesers bereitgestellt, exemplarische Ausführungsformen sind jedoch nicht auf die genauen Details oder Materialen beschränkt, die in dem nachstehenden Beispiel verwendet werden. Beim Peltier-Effekt liegt ein Abkühlen von einem Übergang/einer Grenzfläche zu dem Peltier-Material und ein Erwärmen des anderen Übergangs/der anderen Grenzfläche zu dem Peltier-Material vor, wenn ein elektrischer Strom in einem Schaltkreis aus Materialien aufrechterhalten wird, der aus zwei unterschiedlichen Leitern besteht; der Effekt ist in Schaltkreisen, die unterschiedliche Halbleiter enthalten, noch stärker. In einem Schaltkreis, der aus einer Batterie besteht, die durch zwei Stücke von z. B. Kupferdraht mit einer Länge von Peltier-Material (z. B. Wismut) verbunden ist, tritt zum Beispiel ein Temperaturanstieg an dem Übergang auf, an dem der Strom von Kupfer in das Peltier-Material geht, und ein Temperaturabfall tritt an dem Übergang auf, an dem der Strom von dem Peltier-Material ins Kupfer geht.
Sich nunmehr 2 zuwendend, ist dort eine Querschnittansicht einer MRAM-Einheit 200 gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform gezeigt. Die Einheit 200 ist eine zweite Realisierung von exemplarischen Ausführungsformen und arbeitet in ähnlicher Weise, wie vorstehend für 1 erörtert. Der Entwurf für die Einheit 200 beinhaltet zum Beispiel Elemente 204 bis 214, die den Elementen 104 bis 114 in 1 entsprechen. Die Einheit 200 beinhaltet einen isolierenden Magneten 204 (der z. B. aus Ferrit hergestellt ist), der auf einer Leitung L2 ausgebildet ist. Der isolierende Magnet 104 weist eine gepinnte Magnetisierungsrichtung auf, die in diesem Beispiel als eine nach rechts weisende Richtung gezeigt ist, es versteht sich jedoch, dass die Magnetisierung der Magnetisierungsrichtung als eine nach links weisende Magnetisierung gewählt werden kann. Ein Abstandshalter 208 aus einem normalen Metall ist auf dem isolierenden Magneten 204 ausgebildet. Zwischen dem Abstandshalter 208 aus einem normalen Metall und dem isolierenden Magneten 204 befindet sich eine Grenzfläche 206 zwischen Abstandshalter aus normalem Metall und isolierendem (Ferrit-)Magnet. Oben auf dem Abstandshalter 208 aus einem normalen Metall ist eine freie Schicht 210 ausgebildet. Die freie Schicht 210 ist mit Pfeilen gezeigt, die sowohl in eine nach links weisende als auch in eine nach rechts weisende Richtung zeigen, was anzeigt, dass die Magnetisierung der freien Schicht 210 in Abhängigkeit von dem Betrieb der Einheit 200 zwischen einer nach links weisenden Magnetisierung und einer nach rechts weisenden Magnetisierung umgepolt werden kann. Oben auf der freien Schicht 210 kann eine Tunnelbarriere 212 ausgebildet sein, und oben auf der Tunnelbarriere 212 kann eine Referenzschicht 214 ausgebildet sind. Die Referenzschicht 214 ist ein Magnet, der in diesem Beispiel mit einer gepinnten (d. h. unveränderlichen) Magnetisierung in die nach rechts weisende Richtung gezeigt ist, es versteht sich jedoch, dass die Referenzschicht 214 in einem anderen Szenario eine nach links weisende Magnetisierung aufweisen kann. Oben auf der Referenzschicht 214 ist eine Leitung L3 ausgebildet. Die Leitungen L1, L2 und L3 sind aus Metall hergestellt und können als Metalldrähte betrachtet werden.
In dem Entwurf in 2 kann die Leitung L2 auch als der zentrale Streifen L2 bezeichnet werden, und die Leitung L2 verbindet zwei Peltier-Materialien 201 und 202: einer der Arme ist ein n-leitendes Peltier-Material 201, und der andere ist ein p-leitendes Peltier-Material 202, um einen verbesserten Peltier-Koeffizienten sicherzustellen. In diesem Fall fließt der von einer Spannungsquelle 216 angelegte elektrische Strom (d. h. der Peltier-Strom) zwischen Leitungen L1 und L4 (wiederum bidirektional), um die Leitung L2 (d. h. die Grenzfläche zwischen der Leitung L2 und dem n-leitenden Peltier-Material 201 und die Grenzfläche zwischen der Leitung L2 und dem p-leitenden Peltier-Material 202) auf der Grundlage der Polarität der Spannungsquelle 216 entweder zu erwärmen oder abzukühlen. Die Leitung L2 ist mit den Peltier-Materialien 201 und 202 elektrisch verbunden, ist jedoch ansonsten mit dem Rest des Schaltungsaufbaus nicht verbunden.
Um zum Beispiel die freie Schicht 210 zu beschreiben, nehme man an, dass der von der Spannungsquelle 216 angelegte elektrische Strom in die Leitung L1 hinein fließt (d. h. die positive Seite der Spannungsquelle 216 ist mit der Leitung L1 verbunden, und die negative Seite (oder Masse) ist mit der Leitung L4 verbunden) und aus der Leitung L4 heraus fließt. Dies bewirkt einen Temperaturabfall/eine Abkühlung an der Grenzfläche zwischen der Leitung L2 und dem n-leitenden Peltier-Material 201 und einen Temperaturabfall/eine Abkühlung an der Grenzfläche zwischen der Leitung L2 und dem p-leitenden Peltier-Material 202. Demgemäß wird ein Wärmestrom 222 (z. B. eine Wärmeströmung), der (die) als ein nach unten weisender Pfeil gezeigt ist, durch den elektrischen Strom erzeugt, der in die Leitung L1, durch das n-leitende Peltier-Material 201, durch die Leitung L2, durch das p-leitende Peltier-Material 202 und dann durch die Leitung L4 heraus fließt. Als ein Ergebnis des Wärmestroms 222, der von der Leitung L3 (nach unten durch den isolierenden Magneten 204) strömt, werden in dem isolierenden Magneten 204 Magnonen angeregt/erzeugt, um einen Spin-Strom 224 zu erzeugen, der gemäß der Magnetisierung des isolierenden Magneten 204 einen Drehimpuls (d. h. ein Spin-Drehmoment) aufweist. Da der Wärmestrom 222 nach unten strömt, dringt der Spin-Strom 224 (der das Spin-Drehmoment mitführt) in die freie Schicht 210 ein und bewirkt, dass die Magnetisierung der freien Schicht 210 eine nach links weisende Magnetisierung (Orientierung) aufweist, die antiparallel zu der nach rechts weisenden Magnetisierung des isolierenden Magneten 204 ist. In diesem Fall wirkt die Leitung L3 als eine Wärmequelle, und die Leitung L2 wirkt als eine Wärmesenke. Die Leitung L3 ist so ausgelegt, dass sie thermisch (und/oder physisch) ausreichend groß ist, um durch die Abkühlung (oder die Erwärmung) der Grenzfläche zwischen der Leitung L2 und den Peltier-Materialien 201 und 202 nicht beeinflusst zu werden; die Leitung L3 kann als ein thermisches Reservoir betrachtet werden.
Nunmehr nehme man an, dass der von der Spannungsquelle 216 angelegte elektrische Strom in die Leitung L4 hinein fließt (d. h. die positive Seite der Spannungsquelle 216 ist mit der Leitung L4 verbunden, und die negative Seite (oder Masse) ist mit der Leitung L1 verbunden) und aus der Leitung L1 heraus fließt. Dies bewirkt einen Temperaturanstieg/ein Erwärmen an der Grenzfläche zwischen der Leitung L2 und dem n-leitenden Peltier-Material 201 und einen Temperaturanstieg/ein Erwärmen an der Grenzfläche des p-leitenden Materials 202. Demgemäß wird ein Wärmestrom 220, der als ein nach oben weisender Pfeil gezeigt ist, durch den elektrischen Strom erzeugt, der in die Leitung L4, durch das p-leitende Peltier-Material 202, durch die Leitung L2, durch das n-leitende Peltier-Material 201 und dann durch die Leitung L1 heraus fließt. Als ein Ergebnis des Wärmestroms 220, der nach oben durch den isolierenden Magneten 204 heraus strömt, werden in dem isolierenden Magneten 204 Magnonen angeregt/erzeugt, um den Spin-Strom 224 zu erzeugen, der gemäß der Magnetisierung des isolierenden Magneten 204 einen Drehimpuls (d. h. ein Spin-Drehmoment) aufweist. Da der Wärmestrom 220 in diesem Fall nach oben strömt, dringt der Spin-Strom 224 in die freie Schicht 210 ein und bewirkt, dass die Magnetisierung der freien Schicht 210 eine nach rechts weisende Magnetisierung (Orientierung) aufweist, die parallel zu der nach rechts weisenden Magnetisierung des isolierenden Magneten 204 ist. In diesem Fall wirkt die Leitung L3 als eine Wärmesenke, und die Leitung L3 wirkt als eine Wärmequelle. L3 ist wiederum so ausgelegt, dass sie thermisch (und/oder physisch) ausreichend groß ist, um durch das Abkühlen oder das Erwärmen der Grenzfläche zwischen der Leitung L2 und den Peltier-Materialien 201 und 202 nicht beeinflusst zu werden.
Demgemäß bewirkt in der Einheit 200 die Flussrichtung des elektrischen Stroms (von der Spannungsquelle 216) in die Leitung L1 hinein und/oder in die Leitung L4 hinein, dass die Grenzfläche zwischen der Leitung L2 und dem Peltier-Material 201 sowie 202 jeweils entweder abgekühlt oder erwärmt wird. Dies ermöglicht ein bidirektionales Beschreiben der freien Schicht 210 (Schreiben einer nach links oder nach rechts weisenden Magnetisierung für in der Ebene oder Schreiben einer nach oben oder nach unten weisenden Magnetisierung für außerhalb der Ebene). Der Drehimpuls (d. h. das Spin-Drehmoment) des Spin-Stroms 224 schreibt für den nach oben gehenden Wärmestrom 220 eine nach rechts weisende Magnetisierung in die freie Schicht 210, und der Drehimpuls des Spin-Stroms 224 schreibt für den nach unten gehenden Wärmestrom 222 eine nach links weisende Magnetisierung in die freie Schicht 210, was ein bidirektionales Schreiben realisiert, ohne z. B. zwei separate Wärmequellen an entgegengesetzten Enden der Einheit 200 bereitstellen zu müssen.
Ein Lesen (z. B. eine 1 oder eine 0 in der freien Schicht 210) der Einheit 200 wird durch Messen des Widerstands zwischen L3 und entweder L1 oder L4 erreicht, in denen ein Widerstand einer nach links weisenden Magnetisierung entspricht und ein anderer einer nach rechts weisenden Magnetisierung für die freie Schicht 210 entspricht. Es kann darauf geachtet werden, beim Messen des Widerstands (zwischen L3 und entweder L1 oder L4) Ströme zu verwenden, die ausreichend niedrig sind, um während des Lesens keine Temperaturänderungen an der Leitung L2 (dem Streifen) hervorzurufen. Ein Lesen der Einheit 200 ohne ein Hervorrufen von Temperaturänderungen an der Leitung L2 kann in exemplarischen Ausführungsformen durch Verwenden von niedrigen Strömen und/oder durch Verwenden (Anlegen) von gleich großen Strömen in dem n-leitenden und dem p-leitenden Peltier-Material 201 und 202 erreicht werden (d. h. durch ein Splitten des elektrischen Stroms zwischen den Leitungen L1 und L4). Ein Vorteil dieser Realisierung besteht darin, dass die thermische Leitfähigkeit der Leitung L2 kein Problem ist und die Leitung L2 (d. h. der Metallstreifen) dick (von oben nach unten) gemacht werden kann, ohne die Leistungsfähigkeit dadurch zu beeinträchtigen, dass ein Wärmestrom von der Stapelstruktur aus isolierendem (Ferrit-)Magneten 204/Abstandshalter 208 aus einem normalen Metall/freier Schicht 210/Tunnelbarriere 212/Referenzschicht 114 abgeführt wird. Gemäß exemplarischen Ausführungsformen entspannt die Wahl der doppelten Peltier-Struktur (Arme aus n-leitendem und p-leitendem Peltier-Material 201 und 202) die Beschränkungen hinsichtlich Abmessung und thermischen Eigenschaften der Leitung L2 (dem Metallstreifen), der mit dem isolierenden (Ferrit-)Magneten 204 verbunden ist, da keine Wärme von den Peltier-Materialien 201 und 202 und/oder von magnetischen Materialien (z. B. dem isolierenden Magneten 204, der freien Schicht 210 und der Referenzschicht 214) durch die Leitung L2 (den Metallstreifen) abgezogen wird und da die Leitung L2 nicht mit dem Rest des Schaltungsaufbaus verbunden ist. Außerdem erhöhen die doppelten Peltier-Materialien 201 und 202 die Wirksamkeit des Erwärmens und des Abkühlens. Diese in 2 gezeigte Geometrie kann dahingehend betrachtet werden, dass sie einen zusätzlichen Vorteil gegenüber jener in 1 gezeigten aufweist. Hierbei stellt selbst ein starkes Erhöhen der Dicke der Leitung L2 keinen zusätzlichen Wärmepfad aus der Einheit 200 heraus bereit (der den Wärmestrom 220 oder 222 behindern könnte); während für die Einheit 100 in 1 ein Erhöhen der Dicke der Leitung L2, um problemlos elektrischen Strom zu führen, um die Peltier-Struktur (die z. B. die Leitung L1, die Leitung L2 und das Peltier-Material 102 aufweist) mit Strom zu versorgen, die Einheit 100 auch thermisch kurzschließen kann, wodurch der Wärmestrom minimiert wird, der dafür zur Verfügung steht, durch den isolierenden Magneten 104 zu fließen.
Unter Bezugnahme auf 3 ist eine Querschnittansicht einer MRAM-Einheit 300 gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform gezeigt. Die Einheit 300 ist eine dritte Realisierung von exemplarischen Ausführungsformen und arbeitet in einer ähnlichen Weise, wie vorstehend für die 2 und 3 erörtert. Der Entwurf für die Einheit 300 beinhaltet zum Beispiel Elemente 304 bis 314, die den Elementen 104 bis 114 in 1 entsprechen.
Anders als bei den 1 und 2 zeigt die dritte Konfiguration mit der Einheit 300 oben auf einer Referenzschicht 314 (d. h. einer unveränderlichen Schicht oder einer gepinnten Schicht) einen Peltier-Stapel (aus einer Leitung L1, einem Peltier-Material 302 und einer Leitung L2) zum Erwärmen und/oder Abkühlen. Auf einem Substrat 301 (wie z. B. einem amorphen Kohlenstoff mit einer SiN-Beschichtung) kann als erstes ein isolierender (Ferrit-)Magnet 304 aufgewachsen werden, und dann können die weiteren nachfolgenden Schichten vertikal aufgewachsen werden, wie in 3 zu sehen. Eine Leitung L3 ist ein Abstandshalter 308 aus einem normalen Metall in der Einheit 300, und die Leitung L3 ist oben auf dem isolierenden Magneten 304 ausgebildet. Eine Grenzfläche 306 zwischen Abstandshalter aus normalem Metall und isolierendem Magneten ist die Grenzfläche zwischen dem Abstandshalter 308 aus einem normalen Metall und dem isolierenden Magneten 304 (Ferrit). Oben auf dem Abstandshalter 308 aus einem normalen Metall ist eine freie Schicht 310 ausgebildet, und auf der freien Schicht 310 ist eine Tunnelbarriere 312 ausgebildet. Die Referenzschicht 314 ist auf der Tunnelbarriere 312 ausgebildet. Die Leitung L2 ist auf der Referenzschicht 314 ausgebildet, und das Peltier-Material 302 ist oben auf der Leitung L2 ausgebildet. Die Leitung L1 ist oben auf dem Peltier-Material 302 ausgebildet.
Während eines Beschreibens der freien Schicht 310 wird ein gerichteter elektrischer Strom (über eine Spannungsquelle 316) durch das Peltier-Material 302 zwischen den Leitungen L1 und L2 gesendet, und der elektrische Strom erwärmt (für einen elektrischen Strom, der in die Leitung L2 hinein und durch die Leitung L1 heraus fließt) und/oder kühlt (für einen elektrischen Strom, der in die Leitung L1 hinein und durch die Leitung L2 heraus fließt) schließlich die Grenzfläche 318 zwischen der Leitung L2 und dem Peltier-Material herunter. Der Erwärmungs- oder Abkühlprozess bildet schließlich an der Grenzfläche 306 zwischen Abstandshalter aus normalem Metall und isolierendem Magneten (Ferrit) jeweils einen positiven Temperaturgradienten (z. B. einen nach oben gehenden Wärmestrom 320) oder einen negativen Temperaturgradienten aus (z. B. einen nach unten gehenden Wärmestrom 322), wie für ein magnonisches Umpolen erforderlich. Wie vorstehend erörtert, ermöglicht ein Umkehren der Polarität der Spannung, die von der Spannungsquelle 316 an die Leitungen L1 und L2 angelegt wird, ein bidirektionales Umpolen der Magnetisierung für die freie Schicht 310.
Die Abmessungen und die thermischen Eigenschaften der Leitungen L1, L2 und L3 sollten so gewählt sein, dass Wärme zwischen den Leitungen L2 und L3 strömt. Zu diesem Zweck sollte die Abmessung der Leitung L2 so klein wie möglich gewählt sein (d. h. dünn von oben nach unten), so dass keine Wärme entlang der Länge der Leitung L2 (dem Draht) strömt. Gleichzeitig sollte die Leitung L2 (der Draht) groß genug sein (d. h. dick), so dass die Joule-Wärme in der Leitung L2 nicht dominierend ist. Die Leitungen L1 und L3 sollten gute thermische Senken sein. Dieser Entwurf der Einheit 300 stellt eine breitere Auswahl von magnetischen Materialien (wie z. B. für den isolierenden Magneten 304, die freie Schicht 310, die Tunnelbarriere 312 und die Referenzschicht 314) und von Elektrodenmaterialien bereit (wie z. B. für die Metallleitungen L3, L2 und L1), da der Hochtemperatur-Hartferrit (welcher der isolierende Magnet 304 ist) als erstes unter dem magnetischen Stapel (d. h. der freien Schicht 310, der Tunnelbarriere 312 und der Referenzschicht 314) und dem Peltier-Stapel (d. h. der Leitung L2, dem Peltier-Material 302 und der Leitung L1) aufgewachsen wird.
Für alle drei Konfigurationen in den 1, 2 und 3 kann eine senkrechte magnetische Anisotropie (PMA, Perpendicular Magnetic Anisotropy) realisiert werden, die senkrecht (d. h. eine nach oben oder nach unten weisende Magnetisierung für die freie Schicht 310) zu der Ebene ist, die dabei hilft, den Unterschied in der Schwellentemperatur an der Grenzfläche 106, 206, 306 zwischen Abstandshalter aus normalem Metall und isolierendem (Ferrit-)Magneten zu verringern, was für ein schnelles magnonisches Umpolen erforderlich ist. In PMA-Konfigurationen muss das magnonische Spin-Drehmoment (das dem Drehimpuls entspricht) eine magnetische Energiebarriere (z. B. ungefähr ~ 2·π·Ms) (Ms ist die Sättigungsmagnetisierung der Speicherschicht) überwinden, die niedriger als jene einer Konfiguration in der Ebene ist. Ein wesentlich niedrigerer thermoelektrischer Strom (z. B. ungefähr ~ 0,1 mA bis 0,5 mA) kann den erforderlichen Temperaturunterschied an der Grenzfläche 106, 206, 306 zwischen Abstandshalter aus normalem Metall und isolierendem (Ferrit-)Magneten erzeugen. Dies gilt für die Einheit 100, 200, 300 mit 50 nm (Breite) × 100 nm (Länge) und skaliert mit der Fläche. Die Schwelle des Temperaturunterschiedes für ein magnonisches Umpolen skaliert herunter bis ungefähr 4 K bis 8 K (Kelvin).
Für diese Einheiten 100, 200, 300 kann ein höheres RA verwendet werden, da kein elektrischer Schreibstrom durch die Einheiten 100, 200, 300 fließt. Dies ist von Vorteil, da die Tunnelbarrierenintegrität (der Tunnelbarrieren 112, 212, 312) verbessert ist und ein höherer effektiver Bit-Zellen-Tunnel-Magnetowiderstand (TMR, Tunneling Magnetoresistance) (der die Transistorimpedanz beinhaltet) möglich ist. Eine Bit-Zelle entspricht einer freien Schicht, wie der freien Schicht 110, 210, 310.
In einer Realisierung kann die Leitung L2 eine Dicke (von oben nach unten) zwischen 5 und 10 Nanometern (nm) aufweisen, und die Breite der Leitung L2 kann die gleiche wie der Durchmesser des magnetischen Tunnelübergangs sein (z. B. ungefähr ~ 50 nm bis 100 nm). Innerhalb dieses Bereichs für die Leitung L2 ist die Joule-Wärme klein genug, um die Peltier-Kühlung zu unterdrücken, und die MRAM-Einheit arbeitet wie erwartet. Außerdem kann die Länge der Leitung L2 (die in den 1 bis 3 in die Seite hinein zeigt) die gleiche wie der Durchmesser des magnetischen Tunnelübergangs sein (z. B. ungefähr ~ 50 nm bis 100 nm). Wenn die Leitung L2 jedoch mit der Source/Drain von einem der Zugriffstransistoren (nicht gezeigt, für einen Fachmann jedoch verständlich) durch einen Metalldurchkontakt und Kontakte verbunden wird, kann die Leitung L3 in einigen Fällen lang sein (z. B. ungefähr ~ 100 nm). Es ist ins Auge gefasst, dass gemäß der vorliegenden Offenbarung verschiedene Abmessungen für die Leitungen L1, L2 und L3 verwendet werden können, und es ist nicht beabsichtigt, dass exemplarische Ausführungsformen beschränkt sind.
4A stellt im Diagramm 400 ein Beispiel für eine räumliche Temperaturverteilung unter Erwärmung, und 4B stellt im Diagramm 405 ein Beispiel für eine räumliche Temperaturverteilung unter Abkühlung für ein bidirektionales magnonisches Umpolen (z. B. eine einstufige Peltier-Einheit) z. B. in den Einheiten 100, 300 gemäß exemplarischen Ausführungsformen dar. Die Einheiten 100, 300 sind MRAM-Einheiten zum Lesen und Schreiben einer Vielzahl von Bits (1en und 0en). Es ist anzumerken, dass zur Darstellung des Erwärmens und des Abkühlens in den 4A und 4B eine hellere Schattierung höhere Temperaturen repräsentiert und eine dunkle Schattierung niedrigere Temperaturen repräsentiert.
4A stellt ein Beispiel für eine Erwärmung der MRAM-Einheit durch das Peltier-Material dar (z. B. die Peltier-Materialien 102, 302). Die Erwärmung ruft eine erwärmende Strömung (d. h. einen Wärmestrom) in den magnetischen Stapel hinein hervor, der die Referenzschicht, die Tunnelbarriere, die freie Schicht, den Abstandshalter aus einem normalen Metall und den isolierenden Magneten beinhaltet. Wenn die Spannungsquelle (z. B. die Spannungsquellen 116, 316) 20 mV zwischen den Leitungen L1 und L2 der Einheit 100, 300 anlegt, liegt in diesem Beispiel eine Änderung in der Temperatur über den magnetischen Stapel hinweg von 10 K (Kelvin) vor.
4B stellt ein Beispiel für ein Abkühlen der MRAM-Einheit durch das Peltier-Material dar (z. B. die Peltier-Materialien 102 und 302). Das Abkühlen ruft eine erwärmende Strömung (d. h. einen Wärmestrom) über den magnetischen Stapel hinweg hervor, der die Referenzschicht, die Tunnelbarriere, die freie Schicht, den Abstandshalter aus einem normalen Metall und den isolierenden Magneten beinhaltet. Wenn die Spannungsquelle (z. B. die Spannungsquellen 116, 316) 20 mV zwischen den Leitungen L1 und L2 der Einheit 100, 200 anlegt, liegt in diesem Beispiel eine Änderung in der Temperatur über den magnetischen Stapel hinweg von –8 K vor. Die räumliche Verteilung der Temperatur unter einer thermoelektrischen (Peltier-)Erwärmung und -Abkühlung für ein bidirektionales magnonisches Umpolen wurde in den 4A beziehungsweise 4B gezeigt. Für einen Peltier-Strom, der von der Leitung L1 zu der Leitung L2 fließt (unter Bezugnahme auf 3) strömt die Wärme nach unten (durch den Wärmestrom 322 gezeigt). Durch ein Umkehren der Richtung des Peltier-Stroms zwischen der Leitung L1 und der Leitung L2 strömt die Wärme jedoch nach oben (durch den Wärmestrom 320 gezeigt). Anders als bei dem von einem elektrischen Strom gesteuerten MRAM des Standes der Technik muss für ein magnetisches Umpolen kein elektrischer Strom durch die Tunnelbarriere 312 in 3 fließen. Dies entspannt die Entwurfseinschränkung für die dünne Tunnelbarriere 312 signifikant. In einer Realisierung kann die Dicke der Tunnelbarriere 312 erhöht werden, um den Tunnel-Magnetowiderstand (TMR) zu verbessern und von einer Lesestörung (destruktives Lesen) induzierte parametrische Fehler zu verringern.
5A stellt eine Graphik 500 als ein Beispiel für eine transiente Antwort einer Erwärmung und einer Abkühlung in einem Peltier-MRAM (wie den Einheiten 100, 200, 300) unter einem konstanten elektrischen Strom gemäß exemplarischen Ausführungsformen dar. 5A stellt eine gleichförmige Temperaturzunahme (gleichförmige Stufenfunktion) von einer Erwärmung oder eine gleichförmige Temperaturabnahme von einer Abkühlung mit Null (0) als einem normierten Ausgangspunkt dar. In 5A ist die y-Achse der Unterschied in der Temperatur (δT = T_MS – T_FERRIT in Kelvin) zwischen dem Abstandshalter aus Metall unterhalb des Stapels (der Referenzschicht, der Tunnelbarriere und der freien Schicht) und dem isolierenden Magneten (welcher der Ferrit ist). Die x-Achse zeigt die Zeit (in Nanosekunden) für ein Anwenden der Erwärmung oder der Abkühlung in der Peltier-MRAM-Einheit. Zwischen den Leitungen L1 und L2 werden bipolare Spannungen angelegt. Eine positive Spannung (V_P > 0) führt zu einem positiven δT, während eine negative Spannung (V_P < 0) δT negativ macht.
5B stellt eine Graphik 505 als ein Beispiel für eine transiente Antwort auf eine Erwärmung in einem Peltier-MRAM (wie den Einheiten 100, 200, 300) unter einem konstanten elektrischen Strom gemäß exemplarischen Ausführungsformen dar. 5B stellt ein Beispiel für ein Umpolen der freien Schicht für eine Magnetisierungsorientierung, wie nach rechts (oder nach oben) weisend, in eine andere Magnetisierungsorientierung dar, wie nach links (oder nach unten) weisend, wenn das Peltier-Material erwärmt wird. Die y-Achse repräsentiert das Umpolen von einer Magnetisierung in eine andere. Auf der y-Achse repräsentiert 1 eine Magnetisierungsorientierung (z. B. nach rechts weisend) der freien Schicht, während –1 eine andere Magnetisierung der freien Schicht repräsentiert. Die x-Achse repräsentiert die Umpolzeit (in Nanosekunden) für ein Umpolen der freien Schicht von einer Magnetisierungsorientierung in eine andere für eine gegebene Energie E und einen gegebenen Peltier-Strom (Ip), der an das Peltier-Material angelegt ist. Für 50 mV, die über die Leitungen (wie z. B. die Leitungen L1 und L2 in den 1 und 3 oder die Leitungen L1 und L4 in 2) des Peltier-Materials hinweg angelegt sind, für eine Umpolenergie (E), die 3,41 pJ/Umpolen ist, und für einen Peltier-Strom von Ip = 1,80 mA ist die freie Schicht in weniger als 1 ns umgepolt.
6 stellt eine Graphik 600 als ein Beispiel für eine transiente Antwort einer Erwärmung und einer Abkühlung in einem Peltier-MRAM (wie den Einheiten 100, 200, 300) unter einem Peltier-Stromimpuls von kurzer Dauer gemäß exemplarischen Ausführungsformen dar. Die 5A und 5B stellten einen konstanten Peltier-Strom dar, der z. B. durch die Spannungsquellen 116, 216, 316 angelegt wurde, um deren jeweiliges Peltier-Material zu erwärmen (negativer Strom) und/oder abzukühlen (positiver Strom). 6 verwendet jedoch eine kurze Dauer (Impuls) des Peltier-Stroms (Ip), der z. B. durch die Spannungsquellen 116, 216, 316 angelegt wird, um deren jeweiliges Peltier-Material zu erwärmen (negativer Strom) und/oder abzukühlen (positiver Strom). Der Peltier-Strom(Ip)-Impuls von kurzer Dauer stellt ein im Vergleich zu einem konstanten Peltier-Strom schnelleres Umpolen der freien Schicht bereit, und der Peltier-Stromimpuls von kurzer Dauer stellt eine Energieeinsparung von 50 bis 60% gegenüber herkömmlichen Spin-Drehmoment-MRAM-Einheiten bereit.
Die gestrichelten Linien in 6 repräsentieren das Temperaturabklingprofil an der Grenzfläche zwischen Metall und Ferrit für verschiedene Gauß'sche elektrische Impulse mit einer Spannungsamplitude V_P und einer Impulsbreite PW. Die schwarze gestrichelte Linie stellt zum Beispiel das auf δT_MAX = 14 K normierte Temperaturabklingprofil (δT) für einen Gauß'schen elektrischen Spannungsimpuls mit einer Amplitude von 100 mV und PW = 0,1 ns bereit. Der entsprechende Strom, der zwischen den Leitungen L1 und L2 fließt, beträgt I_P = 3,5 mA (der ebenfalls von Gauß'scher Gestalt ist wie die angelegte Spannung V_P). Die gesamte, bei dem Umpolen der Magnetisierung (parallelantiparallel) dissipierte Energie beträgt E = 0,35 pico-Joule pro Umpolen. Die Umpol-Antwort von parallel zu antiparallel wurde in 6 mit schwarzen durchgezogenen Kurven gezeigt.
Wenn des Weiteren gemäß exemplarischen Ausführungsformen die Spannungsquellen 116, 216, 316 Stromimpulse in einem Bereich zwischen 1 mA und 3,5 mA während einer Dauer in einem Bereich zwischen 0,1 ns und 0,3 ns anlegen, ist die Magnetisierung der freien Schicht 110, 210, 310 (in den Einheiten 100, 200, 300) so konfiguriert, dass sie in 2 ns (z. B. weniger als 2 ns, ungefähr 2 ns und/oder etwas über 2 ns) umgepolt ist.
In exemplarischen Ausführungsformen kann das Peltier-Material mit Niob dotiertes SrTiO₃ sein. Die Leitung L2 kann ein leitendes Material mit einer hohen Schmelztemperatur aufweisen, z. B. kann die Leitung L2 ein leitendes Material beinhalten, wie Wolfram, Molybdän, TaN, Ta, TiN und Gemische derselben, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Sich nunmehr 7 zuwendend, stellt 7 eine Graphik 700 für eine Umpolverzögerungsverteilung in Peltier-MRAM-Einheiten (wie den Einheiten 100, 200, 300) gemäß exemplarischen Ausführungsformen dar.
Die Graphik 700 zeigt die Wahrscheinlichkeitsverteilung einer Umpolverzögerung in einem Peltier-MRAM mit einer senkrechten magnetischen Anisotropie (die magnetische Anisotropie der freien Schicht 110, 210, 310, der Referenzschicht 114, 214, 314 und des isolierenden Magneten 104, 204, 304 ist senkrecht zu der Ebene). Die Entwurfsspezifikationen des MRAM sind: senkrechte magnetische Anisotropie (K_u2) = 4,5 × 10⁶ emu/cm³; Sättigungsmagnetisierung (M_s) = 850 emu/cm³; Gilbert-Dämpfungskonstante (α) = 0,01; Volumen der freien Schicht (V) = 100 × 50 × 3 nm³.
Ein höherer Temperaturgradient (δT) an der Grenzfläche zwischen Metall und Ferrit (welche die Grenzfläche 106, 206, 306 zwischen dem Abstandshalter aus Metall und dem isolierenden Magneten ist) verringert die mittlere Umpolverzögerung, wie in der Graphik 700 dargestellt. Für eine gegebene Umpolverzögerung und eine gegebene Fehlerwahrscheinlichkeit nimmt der Umpoltemperaturgradient (δT_C) jedoch aufgrund einer stochastischen thermischen Fluktuation der Magnetisierung der freien Schicht (beträchtlich) zu. Dies kann das Umpolen in einem Peltier-MRAM nicht-reproduzierbar und stochastisch machen, was wiederum die parametrische Speicherleistung verringert. Die thermische Inkubationsverzögerung führt zu dem langen Ausläufer der Umpol-Verzögerungsverteilungen, wie in 7 gezeigt. Je geringer der Temperaturunterschied (δT) ist, desto größer ist die Dominanz der thermischen Inkubationsverzögerung, was einen verlängerten Ausläufer der Verteilung hervorruft. Die Verzögerungsausdehnung ist für ein geringeres (δT) (= 2 Kelvin) größer als für ein höheres (δT) (= 10 Kelvin).
8 stellt eine Graphik 800 dar, welche die Wahrscheinlichkeitsverteilung in einem Peltier-MRAM mit einer senkrechten magnetischen Anisotropie (die magnetische Anisotropie der freien Schicht 110, 210, 310, der Referenzschicht 114, 214, 314 und des isolierenden Magneten 104, 204, 304 ist senkrecht zu der Ebene) gemäß exemplarischen Ausführungsformen darstellt. In dem Fall von 8 ist jedoch die Umpolverzögerungsverteilung in einem Peltier-MRAM (wie z. B. den Einheiten 100, 200, 300) gezeigt, wenn die magnetische Anisotropie des isolierenden Magneten (des Ferrits) leicht gekippt ist, was die Ausdehnung der Umpolverzögerung (im Vergleich zu der Graphik 700) gemäß exemplarischen Ausführungsformen verringert. In diesem Fall ist die Magnetisierung des isolierenden Magneten 104, 204, 304 nicht vollständig senkrecht (nach oben oder nach unten weisend), stattdessen ist die Magnetisierung jedoch um einen Winkel, z. B. θ_tilt = π/10, leicht gekippt. Es ist ins Auge gefasst, dass die Magnetisierung des isolierenden Magneten um weniger oder mehr gekippt sein kann und die senkrechte magnetische Anisotropie des isolierenden Magneten nicht darauf beschränkt ist, um θ_tilt = π/10 gekippt zu sein.
Außerdem wird das magnetische Umpolen der freien Schicht für einen gegebenen Temperaturgradienten reproduzierbar, und die Umpolverzögerungsverteilung wird komprimiert (d. h. in der Abmessung auf der x-Achse verringert). Der Entwurf verbessert die parametrische Speicherleistung signifikant. Mit kollinearen magnetischen Anisotropien (θ_Tilt = 0°) zwischen der freien Schicht und dem isolierenden Magneten (dem Ferrit) wird ein durch einen magnonischen Strom induziertes Umpolen der Magnetisierung durch eine thermisch induzierte anfängliche Winkelpräzession des Moments der freien Schicht um seine ungezwungene Achse herum initiiert (die in unserem Beispielfall senkrecht zu der Ebene ist, jedoch nicht darauf beschränkt ist). Ein schnelleres Umpolen mit einer ausreichend geringen Umpolfehlerwahrscheinlichkeit erfordert ein ausreichend hohes δT (> 10 K). Mit einem marginalen Kippen der Anisotropie des isolierenden Magneten (z. B. θ_Tilt ~ pi/10 Radian) wird die von einem magnonischen Strom induzierte Umkehr der Magnetisierung im Wesentlichen unabhängig von der anfänglichen thermischen Fluktuation, was das Umpolen der freien Schicht nahezu fehlerfrei macht.
9 stellt einen Ablaufplan 900 eines Prozesses zum Bilden einer Vorrichtung für ein bidirektionales Beschreiben der freien Schicht dar. Es wird auf die Einheit 100 in 1 Bezug genommen.
Zunächst wird in Block 902 ein Peltier-Material (z. B. das Peltier-Material 102) auf einer ersten Leitung (z. B. der Metallleitung L1) gebildet. In Block 904 wird eine zweite Leitung (z. B. die Metallleitung L2) auf dem Peltier-Material 102 gebildet. In Block 906 wird ein isolierendes Material (z. B. das isolierende Ferrit-Material 104) auf der zweiten Leitung gebildet. Das isolierende Material 104 kann eine magnetische Anisotropie in der Ebene aufweisen (z. B. eine nach links oder nach rechts weisende Magnetisierung).
Des Weiteren wird in Block 908 ein Abstandshalter aus einem normalen Metall (z. B. der Abstandshalter 108 aus einem normalen Metall) auf dem isolierenden Magneten 104 gebildet. Der isolierende Magnet 104 ist ein Isolator, der keine Elektrizität leitet. In Block 910 wird eine freie Schicht (z. B. die freie Schicht 110) auf dem Abstandshalter 108 aus einem normalen Metall gebildet. In Block 912 wird eine Tunnelbarriere (z. B. die Tunnelbarriere 112) auf der freien Schicht 110 gebildet. In Block 914 wird eine Referenzschicht 114 auf der Tunnelbarriere 112 gebildet. In Block 916 wird eine dritte Leitung (z. B. die Metallleitung L3) auf der Referenzschicht 114 gebildet.
10 stellt einen Ablaufplan 1000 eines Prozesses zum Bilden einer Vorrichtung für ein bidirektionales Beschreiben der freien Schicht gemäß exemplarischen Ausführungsformen dar. Es wird auf die Einheit 300 in 3 Bezug genommen.
In Block 1002 wird ein isolierender Magnet (z. B. der isolierende Magnet 304) auf einem Substrat (z. B. dem Substrat 301) gebildet. In Block 1004 wird ein Abstandshalter aus einem normalen Metall (z. B. der Abstandshalter 308 aus Metall) auf dem isolierenden Magneten 304 gebildet. Der Abstandshalter 308 aus Metall ist außerdem eine dritte Leitung (z. B. die Metallleitung L3). In Block 1006 wird eine freie Schicht (z. B. die freie Schicht 310) auf dem Abstandshalter 308 aus einem normalen Metall gebildet.
Außerdem wird in Block 1008 eine Tunnelbarriere (z. B. die Tunnelbarriere 312) auf der freien Schicht 310 gebildet. In Block 1010 wird eine Referenzschicht (z. B. die Referenzschicht 314) auf der Tunnelbarriere 312 gebildet. In Block 1012 wird eine zweite Leitung (z. B. die Metallleitung L2) auf der Referenzschicht 314 gebildet. In Block 1014 wird ein Peltier-Material (z. B. das Peltier-Material 302) auf der zweiten Leitung gebildet. In Block 1016 wird eine erste Leitung (z. B. die Metallleitung L1) auf dem Peltier-Material 302 gebildet.
11 stellt einen Ablaufplan 1100 eines Prozesses zum Bilden einer Vorrichtung für ein bidirektionales Beschreiben der freien Schicht gemäß exemplarischen Ausführungsformen dar. Es wird auf die Einheit 200 in 2 Bezug genommen.
In Block 1102 wird ein n-leitendes Peltier-Material (z. B. das n-leitende Peltier-Material 201) auf einer ersten Leitung (z. B. der Metallleitung L1) gebildet. Das n-leitende Peltier-Material 201 ist mit Dotierstoffen dotiert, um überschüssige negative Ladungen in dem n-leitenden Peltier-Material 201 zu erzeugen. In Block 1104 wird ein p-leitendes Peltier-Material (z. B. das p-leitende Peltier-Material 202) auf einer vierten Leitung (z. B. der Metallleitung L4) gebildet. Das p-leitende Peltier-Material 202 wird mit Dotierstoffen dotiert, um überschüssige positive Ladungen in dem p-leitenden Peltier-Material 202 zu erzeugen.
Des Weiteren wird in Block 1106 eine zweite Leitung (z. B. die Metallleitung L2) sowohl auf dem n-leitenden Peltier-Material 201 als auch auf dem p-leitenden Peltier-Material 202 gebildet. In Block 1108 wird ein isolierender Magnet (z. B. der isolierende Magnet 204) auf der zweiten Leitung L2 gebildet. In Block 1110 wird ein Abstandshalter aus einem normalen Metall (z. B. der Abstandshalter 208 aus einem normalen Metall) auf dem isolierenden Magneten 204 gebildet. In Block 1012 wird eine freie Schicht 210 auf dem Abstandshalter 208 aus einem normalen Metall gebildet. In Block 1114 wird eine Tunnelbarriere (z. B. die Tunnelbarriere 212) auf der freien Schicht 210 gebildet, und in Block 1116 wird eine Referenzschicht (z. B. die Referenzschicht 214) auf der Tunnelbarriere 212 gebildet. In Block 1118 wird eine dritte Leitung (z. B. die Metallleitung L3) auf der Referenzschicht 214 gebildet.
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck der Beschreibung spezieller Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen ”ein/eine/eines”, ”ein/eine/eines” und ”der/die/das” ebenso die Pluralformen beinhalten, wenn der Kontext nicht klar etwas anderes anzeigt. Es versteht sich des Weiteren, dass die Ausdrücke ”aufweist” und/oder ”aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten spezifizieren, das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren weiteren Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen derselben jedoch nicht ausschließen.
Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Vorgänge und Äquivalente sämtlicher Mittel oder Schritt-plus-Funktion-Elemente in den nachstehenden Ansprüchen sollen jegliche Struktur, jegliches Material oder jeglichen Vorgang zum Durchführen der Funktion in Kombination mit weiteren beanspruchten Elementen beinhalten, wie im Einzelnen beansprucht. Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde zu Zwecken der Illustration und Beschreibung präsentiert, soll jedoch nicht erschöpfend oder beschränkend für die Erfindung in der offenbarten Form sein. Für den Fachmann sind viele Modifikationen und Variationen offensichtlich, ohne von dem Umfang und dem Inhalt der Erfindung abzuweichen. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und die praktische Anwendung am besten zu erläutern und um es anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung für verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen zu verstehen, wie sie für die spezielle, ins Auge gefasste Verwendung geeignet sind.
Die hierin dargestellten Ablaufpläne sind nur ein Beispiel. Es kann viele Variationen zu dieser Darstellung oder den Schritten (oder Operationen) geben, die darin beschrieben sind, ohne von dem Inhalt der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können die Schritte in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden, oder es können Schritte hinzugefügt, gestrichen oder modifiziert werden. Alle diese Variationen werden als ein Teil der beanspruchten Erfindung betrachtet.
Wenngleich die exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, versteht es sich, dass der Fachmann sowohl jetzt als auch in der Zukunft verschiedene Verbesserungen und Steigerungen vornehmen kann, die in den Umfang der Ansprüche fallen, die folgen. Diese Ansprüche sind so auszulegen, dass sie den korrekten Schutz für die zuerst beschriebene Erfindung aufrechterhalten.

Claims

Magnetoresistive Speichereinheit mit wahlfreiem Zugriff (MRAM-Einheit), die aufweist: einen magnetischen Stapel, der eine Referenzschicht angrenzend an eine Tunnelbarriere, die Tunnelbarriere angrenzend an eine freie Schicht und die freie Schicht angrenzend an einen Abstandshalter aus Metall aufweist; und einen isolierenden Magneten, der zwischen dem magnetischen Stapel und einem Peltier-Material angeordnet ist; das Peltier-Material, das mit dem isolierenden Magneten und dem magnetischen Stapel thermisch gekoppelt ist; wobei ein Abkühlen einer Grenzfläche zwischen dem Peltier-Material und dem isolierenden Magneten bewirkt, dass der isolierende Magnet ein Spin-Drehmoment überträgt, um eine Magnetisierung der freien Schicht in eine erste Richtung zu drehen; und wobei ein Erwärmen der Grenzfläche zwischen dem Peltier-Material und dem isolierenden Magneten bewirkt, dass der isolierende Magnet das Spin-Drehmoment überträgt, um die Magnetisierung der freien Schicht in eine zweite Richtung zu drehen.
Einheit nach Anspruch 1, wobei eine über eine erste Leitung und eine zweite Leitung, die mit dem Peltier-Material verbunden sind, hinweg angelegte Spannung mit einer ersten Polarität bewirkt, dass der isolierende Magnet das Spin-Drehmoment überträgt, um die Magnetisierung der freien Schicht in die erste Richtung zu drehen; und wobei die über die erste Leitung und die zweite Leitung, die mit dem Peltier-Material verbunden sind, hinweg angelegte Spannung mit einer zweiten Polarität bewirkt, dass der isolierende Magnet das Spin-Drehmoment überträgt, um die Magnetisierung der freien Schicht in die zweite Richtung zu drehen.
Einheit nach Anspruch 1, wobei die Magnetisierung der freien Schicht in der ersten Richtung entgegengesetzt zu der Magnetisierung der freien Schicht in der zweiten Richtung ist.
Einheit nach Anspruch 1, wobei: die Magnetisierung der freien Schicht außerhalb der Ebene liegt; eine Magnetisierung des isolierenden Magneten außerhalb der Ebene liegt und eine Verkippung aufweist, wobei die Verkippung für die Magnetisierung des isolierenden Magneten einer Anisotropie entspricht, die aus einer senkrechten Richtung für den isolierenden Magneten gekippt ist; und die Verkippung für die Magnetisierung des isolierenden Magneten eine Umpolverzögerung für das Spin-Drehmoment für ein Drehen der Magnetisierung der freien Schicht verringert.
Einheit nach Anspruch 2, wobei elektrische Stromimpulse, die über die erste Leitung und die zweite Leitung des Peltier-Materials angelegt sind, für die erste Polarität der Spannung ein Abkühlen der Grenzfläche zwischen dem Peltier-Material und dem isolierenden Magneten bewirken und für die zweite Polarität der Spannung ein Erwärmen der Grenzfläche zwischen dem Peltier-Material und dem isolierenden Magneten bewirken.
Einheit nach Anspruch 1, die des Weiteren aufweist: eine erste Leitung, eine zweite Leitung und eine dritte Leitung; wobei das Peltier-Material an die erste Leitung angrenzt, die zweite Leitung an das Peltier-Material angrenzt, der isolierende Magnet an die zweite Leitung angrenzt, der Stapel an den isolierenden Magneten angrenzt und die dritte Leitung an den Stapel angrenzt.
Einheit nach Anspruch 6, wobei die freie Schicht für ein Lesen eines Zustands derselben durch Messung des Widerstands über die zweite Leitung und die dritte Leitung hinweg konfiguriert ist.
Einheit nach Anspruch 1, die des Weiteren aufweist: eine erste Leitung, eine zweite Leitung, eine dritte Leitung, die den Abstandshalter aus Metall aufweist, und ein Substrat; wobei der isolierende Magnet an das Substrat angrenzt, der Stapel an den isolierenden Magneten angrenzt, die zweite Leitung an den Stapel angrenzt, das Peltier-Material an die zweite Leitung angrenzt und die erste Leitung an das Peltier-Material angrenzt.
Einheit nach Anspruch 8, wobei die freie Schicht für ein Lesen eines Zustands derselben durch Messung des Widerstands über die zweite Leitung und die dritte Leitung hinweg konfiguriert ist.
Einheit nach Anspruch 1, wobei das Peltier-Material mit Niob dotiertes SrTiO₃ ist.
Einheit nach Anspruch 2, wobei: die zweite Leitung ein leitendes Material aufweist; und das leitende Material eines oder mehrere aufweist von: Wolfram, Molybdän, TaN, Ta, TiN und Kombinationen derselben.
Magnetoresistive Speichereinheit mit wahlfreiem Zugriff (MRAM-Einheit), die aufweist: einen magnetischen Stapel, der eine Referenzschicht angrenzend an eine Tunnelbarriere, die Tunnelbarriere angrenzend an eine freie Schicht und die freie Schicht angrenzend an einen Abstandshalter aus Metall aufweist; einen isolierenden Magneten; ein n-leitendes Peltier-Material, das mit dem isolierenden Magneten und dem magnetischen Stapel thermisch gekoppelt ist; und ein p-leitendes Peltier-Material, das mit dem isolierenden Magneten und dem magnetischen Stapel thermisch gekoppelt ist; wobei ein Abkühlen einer Grenzfläche zwischen dem n-leitenden Peltier-Material und dem isolierenden Magneten und ein Abkühlen einer Grenzfläche zwischen dem p-leitenden Peltier-Material und dem isolierenden Magneten bewirken, dass der isolierende Magnet ein Spin-Drehmoment überträgt, um eine Magnetisierung der freien Schicht in eine erste Richtung zu drehen; und wobei ein Erwärmen der Grenzfläche zwischen dem n-leitenden Peltier-Material und dem isolierenden Magneten und ein Erwärmen der Grenzfläche zwischen dem p-leitenden Peltier-Material und dem isolierenden Magneten bewirken, dass der isolierende Magnet das Spin-Drehmoment überträgt, um die Magnetisierung der freien Schicht in eine zweite Richtung zu drehen.
Einheit nach Anspruch 12, die des Weiteren aufweist: eine erste Leitung, eine zweite Leitung, eine dritte Leitung und eine vierte Leitung; wobei das n-leitende Peltier-Material an die erste Leitung angrenzt und ein Teil der zweiten Leitung an das n-leitende Peltier-Material angrenzt; wobei das p-leitende Peltier-Material an die vierte Leitung angrenzt und ein anderer Teil der zweiten Leitung an das p-leitende Peltier-Material angrenzt; und wobei der isolierende Magnet an die zweite Leitung angrenzt, der Stapel an den isolierenden Magneten angrenzt und die dritte Leitung an den Stapel angrenzt.
Einheit nach Anspruch 13, wobei eine über die erste Leitung und die vierte Leitung, die mit dem n-leitenden Peltier-Material beziehungsweise dem p-leitenden Peltier-Material verbunden sind, hinweg angelegte Spannung mit einer ersten Polarität bewirkt, dass der isolierende Magnet das Spin-Drehmoment überträgt, um die Magnetisierung der freien Schicht auf der Grundlage der ersten Polarität der Spannung in die erste Richtung zu drehen; und wobei die über die erste Leitung und die vierte Leitung, die mit dem n-leitenden Peltier-Material beziehungsweise dem p-leitenden Peltier-Material verbunden sind, hinweg angelegte Spannung mit einer zweiten Polarität bewirkt, dass der isolierende Magnet das Spin-Drehmoment überträgt, um die Magnetisierung der freien Schicht auf der Grundlage der zweiten Polarität der Spannung in die zweite Richtung zu drehen.
Einheit nach Anspruch 12, wobei: die Magnetisierung der freien Schicht außerhalb der Ebene liegt; eine Magnetisierung des isolierenden Magneten außerhalb der Ebene liegt und eine Verkippung aufweist, wobei die Verkippung für die Magnetisierung des isolierenden Magneten einer Anisotropie entspricht, die aus einer senkrechten Richtung für den isolierenden Magneten gekippt ist; und die Verkippung für die Magnetisierung des isolierenden Magneten eine Umpolverzögerung für das Spin-Drehmoment für ein Drehen der Magnetisierung der freien Schicht verringert.
Einheit nach Anspruch 14, wobei elektrische Stromimpulse, die über die erste Leitung des n-leitenden Peltier-Materials und die vierte Leitung des p-leitenden Peltier-Materials angelegt sind, für die erste Polarität der Spannung ein Abkühlen einer Grenzfläche zwischen dem n-leitenden Peltier-Material und dem isolierenden Material und ein Abkühlen einer Grenzfläche zwischen dem p-leitenden Peltier-Material und dem isolierenden Material hervorrufen; und wobei die elektrischen Stromimpulse, die über die erste Leitung des n-leitenden Peltier-Materials und die vierte Leitung des p-leitenden Peltier-Materials angelegt sind, für die zweite Polarität der Spannung ein Erwärmen der Grenzfläche zwischen dem n-leitenden Peltier-Material und dem isolierenden Material und ein Erwärmen der Grenzfläche zwischen dem p-leitenden Peltier-Material und dem isolierenden Material hervorrufen.
Verfahren zum Bilden einer magnetoresistiven Speichereinheit mit wahlfreiem Zugriff (MRAM-Einheit), wobei das Verfahren aufweist: Bilden eines isolierenden Magneten angrenzend an ein Substrat; Bilden eines Abstandshalters aus Metall angrenzend an den isolierenden Magneten, wobei der Abstandshalter aus Metall eine dritte Leitung ist; Bilden einer freien Schicht angrenzend an den Abstandshalter aus Metall; Bilden einer Tunnelbarriere angrenzend an die freie Schicht; Bilden einer Referenzschicht angrenzend an die Tunnelbarriere; Bilden einer zweiten Leitung angrenzend an die Referenzschicht; Bilden eines Peltier-Materials angrenzend an die zweite Leitung; und Bilden einer ersten Leitung angrenzend an das Peltier-Material.
Verfahren nach Anspruch 17, das des Weiteren ein Abkühlen einer Grenzfläche zwischen dem Peltier-Material und dem isolierenden Magneten aufweist, um zu bewirken, dass der isolierende Magnet ein Spin-Drehmoment überträgt, um eine Magnetisierung der freien Schicht in eine erste Richtung zu drehen; und ein Erwärmen der Grenzfläche zwischen dem Peltier-Material und dem isolierenden Magneten aufweist, um zu bewirken, dass der isolierende Magnet das Spin-Drehmoment überträgt, um die Magnetisierung der freien Schicht in eine zweite Richtung zu drehen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Magnetisierung der freien Schicht außerhalb der Ebene liegt; eine Magnetisierung des isolierenden Magneten außerhalb der Ebene liegt und eine Verkippung aufweist, wobei die Verkippung für die Magnetisierung des isolierenden Magneten einer Anisotropie entspricht, die aus einer senkrechten Richtung für den isolierenden Magneten gekippt ist; und die Verkippung für die Magnetisierung des isolierenden Magneten eine Umpolverzögerung für das Spin-Drehmoment für ein Drehen der Magnetisierung der freien Schicht verringert.
Verfahren zum Bilden einer magnetoresistiven Speichereinheit mit wahlfreiem Zugriff (MRAM-Einheit), wobei das Verfahren aufweist: Bilden eines n-leitenden Peltier-Materials angrenzend an eine erste Leitung; Bilden eines p-leitenden Peltier-Materials angrenzend an eine vierte Leitung; Bilden einer zweiten Leitung angrenzend sowohl an das n-leitende Peltier-Material als auch an das p-leitende Peltier-Material; Bilden eines isolierenden Magneten angrenzend an die zweite Leitung; Bilden eines Abstandshalters aus Metall angrenzend an den isolierenden Magneten; Bilden einer freien Schicht angrenzend an den Abstandshalter aus Metall; Bilden einer Tunnelbarriere angrenzend an die freie Schicht; Bilden einer Referenzschicht angrenzend an die Tunnelbarriere; und Bilden einer dritten Leitung angrenzend an die Referenzschicht.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei eine über die erste Leitung und die vierte Leitung, die mit dem n-leitenden Peltier-Material beziehungsweise dem p-leitenden Peltier-Material verbunden sind, hinweg angelegte Spannung mit einer ersten Polarität bewirkt, dass der isolierende Magnet das Spin-Drehmoment überträgt, um die Magnetisierung der freien Schicht auf der Grundlage der ersten Polarität der Spannung in die erste Richtung zu drehen; und wobei die über die erste Leitung und die vierte Leitung, die mit dem n-leitenden Peltier-Material beziehungsweise dem p-leitenden Peltier-Material verbunden sind, hinweg angelegte Spannung mit einer zweiten Polarität bewirkt, dass der isolierende Magnet das Spin-Drehmoment überträgt, um die Magnetisierung der freien Schicht auf der Grundlage der zweiten Polarität der Spannung in die zweite Richtung zu drehen.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei: die Magnetisierung der freien Schicht außerhalb der Ebene liegt; eine Magnetisierung des isolierenden Magneten außerhalb der Ebene liegt und eine Verkippung aufweist, wobei die Verkippung für die Magnetisierung des isolierenden Magneten einer Anisotropie entspricht, die aus einer senkrechten Richtung für den isolierenden Magneten gekippt ist; und die Verkippung für die Magnetisierung des isolierenden Magneten eine Umpolverzögerung für das Spin-Drehmoment für ein Drehen der Magnetisierung der freien Schicht verringert.